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MIT蒋业明研制液体电极电池 可反复充电且安全环保 电动车或迎新发展
2014/2/21 14:48:26 | 浏览:2385 | 评论:2

电动汽车充电电池由于自身体积大、重量沉、造价高,已成为制约该行业发展的瓶颈。例如,尼桑Leaf电动车2/3的电池只起到支撑结构的作用,并未产生能量,而这些材料比实际发电的部分造价更高。因此,如果这些“无用重量”可参与到能量供应中,汽车充电电池的效率将大幅提高。

  日前,美国麻省理工学院材料科学与工程教授蒋业明及其团队研发出了一种名为“剑桥原油”的材料,有望解决这一难题。

  该材料呈现黝黑色,外观与原油相似。在普通充电电池中,铁原子通过电解液或电解质粉在两个固体电极中运动,使电子流入与两电极相连的电线中产生电流。而蒋业明制造的“剑桥原油”电池,电极是由微小的锂元素组成,与液体电解液混合在一起,成为类似泥浆状的流体混合物。电池中同时存在两股带着正负电荷的“泥浆”,由具渗透性的薄膜隔离开来。两股“泥浆”流动,在薄膜上相互交换锂离子,产生电流。要对电池充电,可外接一个电源使这些离子通过薄膜重新回到另外一侧。

  蒋业明预测,这种半固体电池单位体积的发电量比传统电池要高10倍左右。美国德雷克塞尔纳米技术研究所Yury Gogotsi教授表示:“这是最近几年电能储存领域最令人振奋的发明。”

  “剑桥原油”半固体电池有三种更换方法。第一,用户将用过的液体抽出,注入新的“泥浆”;第二,前往充电站更换;第三,用电对“泥浆”进行充电。前两种办法只需几分钟即可完成。

  一般而言,充电电池是电动汽车最重最贵的部分。蒋业明估计,新电池的造价约为250美元每千瓦时发电量,因此如果用它代替尼桑Leaf汽车的24千瓦时电池,将花费6000美元,只有目前成本的1/3。此外,蒋业明还表示:“剑桥原油”电池充满电一次可供汽车行驶至少300公里,是现在电动车续航能力的一倍。(1美元约合6.39元人民币)

  纽约能源研究所城市大学的Dan Steingart说:“这是一个非常伟大的技术,因为人们可以对用过的‘剑桥原油’充电。”但他指出,即使这项技术可以在短期内实现商业应用,但建立充电站则需要很长时间。

美研发半液态电池 电动车或迎新发展

  新型电池不仅能够像传统电池一样充电,还可以像给车加油一样为电池注入新燃料。

  阿贡国家实验室和伊利诺斯科技院的研究人员表示,从理论上来讲,这种材料每次充电可供电动汽车行驶500英里,是目前电动车单次充电行驶距离的五倍。当电力不足时,仅需在加油站花费几分钟的时间就可以将电池的燃料加满。相反,最快的传统充电站也得耗时一小时将电力充满。

  目前,有限的行驶距离和长时间的充电时间是电动汽车两个最大的挑战。液体电池电极通过增加电池盒的能源存储量达到延长行驶距离,由于所需的非能源存储部件减少,所以液体电极电池的造价更为低廉。

  能源高级研究项目署的项目经理刘平(音译)表示,由于这种电池使用的是液体电极,因此与传统电极相比更加安全可靠。正负电极材料分别装在两个分开的容器内,与传统电池有所不同。这样可以避免短路和电池过热导致锂离子电池着火。

  目前可充电燃料还处于初级研究阶段,但是能源高级研究项目署认为该种燃料前景十分良好,并宣称将出资设立四个研究小组来进一步开发该技术。

  迄今,伊利诺斯研究人员展示了一款使用一个液体电极和一个固体电极制成的小型“半电池”。他们计划使用正负液体电极制造一个电池原模型。这种电池能够存储一千瓦时的电力,足够汽车行驶数英里。

  传统电力汽车电池有多达75%的材料有并不存储能源的部件组成,其中包括电池包装、传感器、电气连接、冷却系统等。液体能源存储至少在理论上不会采用以上的部件,大大削减了电池体积和成本。

  新型电池的液体电极存储在容器内,通过一个相对较小的设备泵入,相互作用从而发电。增加能源存储量也就是加大存储容器体积而已,而发电的设备体积将保持不变。容器的体积越大,发电设备占据电池整体的体积越小。

  然而液体电极电池的确还存在一些潜在的缺陷。研究人员也仅仅是刚着手设计整个系统,他们需要设计出一种更加高效泵入材料,而且低成本生产的方法。不仅如此,将充电汽车燃料箱重新注满燃料需要安装新的基础设施,因此耗资数目不容小觑。  

美研发三维电极微电池 个头小能力强

  据英国广播公司(BBC)报道,美国科学家制造出一种拥有三维电极的新式“微电池”模型,与目前的商用电池相比,同样功能的新电池仅为其十分之一,而再充电速度则为其1000倍。科学家们表示,一旦解决安全问题,新电池将有望变革消费电子设备和汽车的充电方式。相关研究将发表在最新一期《自然·通讯》杂志上。

  电池内有三个元件:分别位于电池两端的阴极和阳极以及作为“桥梁”的电解液。最新研究的突破主要在于,科学家们在微尺度上将阳极和阴极整合在了一起。

  他们首先制造出一个由细小的聚苯乙烯球组成的网格;接着用金属填满球内外;再将球溶解,留下一个三维的金属支架,并在该金属支架上添加了一个镍—锡合金阳极和氢氧化锰矿物质阴极;最后,将该装置依附到一块玻璃的表面,并将玻璃表面没入300摄氏度的液体(作为电解质)中。

  研究负责人、伊利诺伊大学的威廉姆·金教授表示:“阴极和阳极距离非常近,使得位于电池两极用来发生反应的离子和电子不需要行进很远,因此能更快产生能量。而且,最新技术可以扩展,可以将电池做得比较大。”

  金指出,尽管智能手机和其他电子设备已从微电子学受益良多,但电池领域的进展却伐善可陈,最新研究改变了这一现状。同样功能的新电池的“个头”仅为原电池的十分之一,新电池可用在汽车内。

  其他电池专家对新研究乐见其成,但他们也担心,安全问题或许会成为其市场化的“绊脚石”。

  英国剑桥大学化学系的克莱尔·格雷教授表示:“挑战在于制造出一个足够稳固的微电池阵列,通过一个成本低廉且可不断扩大的过程,使整个电池阵列不出现一次短路。”牛津大学无机化学和能源领域的专家皮特·爱德华兹也指出:“最新研究证明了我们可以获得很高的能量密度,但问题在于如何扩大规模以便进行工业化生产,同时找到更简单的制造方法并解决安全问题。我并不知道这种微电池是否容易自燃,钴酸锂电池就存在这一问题。”

  金承认,因为目前使用的液体容易自燃,安全问题确实存在。他表示,测试设备使用的液体很少,这就使发生爆炸的危险微乎其微,但如果电池被做得很大,危险可能会随之增加。但他计划改用更安全的聚合物电解液来解决这个问题,希望今年年底前,该技术能够实现为电子设备和汽车供电。

研究使用离子液体作为碳前驱体修饰电极材料

  Li4Ti5O12作为锂离子电池的负极材料,主要缺点在于电子电导能力太差,纯Li4Ti5O12的电导率小于10-13 S/cm,锂离子扩散系数只有10-9 –10-13 cm2 s-1,导致倍率性能不佳,从而限制了其在锂离子电池中的应用。因此研究者们从降低Li4Ti5O12颗粒尺寸和表面包覆两方面来对Li4Ti5O12进行改性。降低颗粒才尺寸能够缩短锂离子的扩散距离,因此电极材料的电化学活性或倍率性能可以得到提高;表面包覆能够提高表面电导率,促进电极材料间的接触。目前报道的对Li4Ti5O12表面包覆的方法虽然能够提高倍率性能,但是大多数方法过程复杂或者需要在高温条件下才能实现(>600 ℃)。

  最近,中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家实验室胡勇胜课题组首次使用离子液体作为碳的前驱体,对多孔Li4Ti5O12的进行表面包覆。与传统的固态碳源前驱体相比,离子液体由于具有流动性质更容易深入多孔材料中,而且在较低的蒸汽压下,裂解温度范围较宽(400-1000 ℃),也不伴随快速的溶剂蒸发,这些都有利于在颗粒表面形成均匀的包覆薄层。此外,通过选择不同类型的离子液体还可以调节包覆层的组成。因此使用离子液体作为前驱体,对于调节包覆层和表界面的组成和性质方面具有明显的优势,这一点对于材料的设计和优化尤为重要。

  该研究组首先采用以前报道的喷雾干燥法制得多孔Li4Ti5O12,离子液体1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺作为前驱体,使用不同量的离子液体与Li4Ti5O12混合,并在氩气中600 ℃ 煅烧。通过表征发现,合成的多孔Li4Ti5O12碳包覆层中含有N元素,对比碳包覆的不含有N元素的多孔Li4Ti5O12,这种N掺杂有利于提高电池的倍率性能。

  这种N掺杂碳包覆的多孔Li4Ti5O12之所以表现出极好的倍率性能和循环性能,主要原因有三:一是表面经过N掺杂碳层的包覆,在提高材料的电子导电性的同时也有利于提高Li4Ti5O12的表面稳定性;二是在Li4Ti5O12与N掺杂碳层之间形成的中间相有利于界面间的电子传输;三是在Li4Ti5O12颗粒中形成的三维导电网络更有利于锂离子的嵌入/脱出。

  该课题组提出的使用离子液体作为碳的前驱体来修饰电极材料,得到的材料表面包覆着均匀的薄薄的N掺杂碳层,表现出优异的倍率性能和循环性能。该合成方法相对简单、有效,可以延伸到其他电化学器件的电极材料中。研究工作发表在Advanced Materials期刊上。

液体电池能贮存大量绿色能量

  当科学家竞相为笔记本电脑、手机和其它轻便电子产品开发越来越小且越来越强大的固体电池时,美国麻省理工学院却截然相反,开发由液体金属制成的生态环保的大型固定电池组,能贮存大量风能或太阳能等绿色能源,可以充当医院等单位的备用电力。

  参与开发此液体电池的麻省理工学院的科学家道恩·萨多威说:“由于这样的电池不能用于手机或汽车里,因此我们没必要要求它们防震和简单易行。我们的电池里面没有固体材料,没有固体电极,没有固体薄膜,没有任何固体的东西。”

  我们知道,任何电池,固体、液体或固液组合电池都只能贮存化学能。为了贮存化学能,任何电池得有三部分组成――阳极电极、阴极电极和阴阳电极之间的膜构成。大多数电池,包括笔记本电脑和电视机遥控器上使用的电池,都使用固体材料如锌或钴锂充当阴极,石墨充当阳极,液体盐溶液充当电解质膜。而此液体电池则不同,其阴阳和膜都是液体的,且都是炽热的熔化的像稀泥似的液体。

  在近几年里,萨多威尝试了多种不同液体金属的配方,最先尝试的配方是熔化的锑和镁充当电极,中间有一层硫化钠充当膜。由于每一种金属有不同的密度,因此这三种金属不会彼此混合,且它们自然地分成三层。如果有意外事件干扰了这些金属层,它们也将会因各自重量的不同而再次自动分成三层。不过,萨多威没有透露其现有液体电池的具体材料是什么。不管它们是由什么材料构成的,这些电池都放在不锈钢里密封着,大小和汽水饮料罐差不多。像此电池的内部材料一样,此电池的大小也没的最后确定下来。

  萨多威说:“此电池应该很容易按比例扩大,如果我们想制造一个33加仑垃圾桶那么大的电池,我们就能做到。如果我们想制造足球场那么大的电池,我们也能做到。”而且,按比例缩放此电池大小很便宜,且能保持液体金属处于液体状态。目前,此电池必须得加热到500摄氏度才行,这是标准家用烤箱的最高温度。

  像家用烤箱一样,液体金属电池也需要同样的安全规程,或许有一天这种液体电池将成为住宅、医院和其它永久性建筑的一部分。科学家表示,此电池是贮存风能或太阳能的理想设备。而且此全部的液体金属电池最有可能取代其它的熔化金属电池(有固体膜介于阴阳极之间),如硫化钠电池,目前用作医院的备用电力,或者用作电力调度者,当夜晚用电不紧张时,此电池从电网用电,而当白天处于用电高峰时,此电池就将能量回输入电网。不过,萨多威的这种液体电池还需几年才能派上用场。

美科学家用病毒制作锂离子电池获得成功

  病毒对于人类的健康和你的技术的健康都是坏东西。美国麻省理工学院正在使用病毒制作锂离子电池的正极和负极。

  麻省理工学院的研究人员开发出一种可制作电池的转基因病毒。这种新的方法能够制造用于汽车和电子产品的更便宜的可充电电池,而且这种电池更环保。

  目前的锂离子电池在电池的正极和负极之间传送离子。三年前,麻省理工学院的研究人员发现,他们能够利用病毒制作锂离子电池的一个正极。这个正极由氧化钴和黄金材料组成。这些病毒在涂上氧化钴和黄金材料之后组成一个纳米线。

  现在,这些研究人员在材料科学、工程和生物工程Germeshausen教授AngelaBelcher的领导下现在能够利用病毒制作锂离子电池的负极部分。能够利用病毒制作电池的正极和负极之后就很容易制作电池了。

  使用的病毒是常用的不会感染人类的噬菌体。对于负极来说,这些病毒在自己的表面涂上一层磷酸铁,然后利用碳纳米管创造一个高传导材料的网络。

  这个碳纳米管网络能够把电子从电极迅速传送到磷酸铁核心以产生能源。通过创建碳纳米管网络,电池的传导性能更好,重量更轻。

  这个研究团队要制作更好的具有较高电压和更大容量的电池。要实现这个目标,负极的组装需要使用磷酸锰和磷酸镍这种材料。这种纳米级电池技术将为汽车和电子制造商使用电池开辟新的可能性。

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